油相浓度对姜黄素纳米乳液稳定性的影响

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(北京食品营养与人类健康高精尖创新中心,中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京 100083)

油相浓度对姜黄素纳米乳液稳定性的影响

曾庆晗,马培华,邰克东,何晓叶,袁芳*

(北京食品营养与人类健康高精尖创新中心,中国农业大学食品科学与营养工程学院,北京 100083)

以中链甘油三酯为油相,卵磷脂为乳化剂,采用高压均质技术制备出含不同油相浓度的姜黄素纳米乳液,于4、25和55 ℃条件下贮藏30 d,研究不同油相浓度对姜黄素纳米乳液稳定性的影响。结果表明:油相浓度较低(5%、10%)时,姜黄素纳米乳液具有较高的稳定性,姜黄素保留率分别达到48.50%和48.99%,粒径增加了0.79%和15.78%;且4 ℃贮藏时,其理化稳定性表现最好,30 d后姜黄素损失率仅为14.98%。

纳米乳液,姜黄素,油相浓度,贮藏稳定性

姜黄素是一种从姜黄科植物的根茎中提取的可食用色素,其染色能力较强,可用于药品、化妆品和食品的着色[1],当其用作食品配料时,除了颜色效果之外,还在营养和药理功能中起作用,有研究表明姜黄素能有效地清除活性氧自由基[2]。姜黄素被证明在预防和治疗炎症、糖尿病等疾病中有一定作用,甚至在抗癌症治疗方面也有较好的表现,已被一些国家列为癌化学预防药物[3-6]。此外,研究报道姜黄素还具有抗辐射功能[7]。

临床实验表明姜黄素可以被安全地用于人体,但低生物利用度严重限制其在食品和药品行业中的开发与应用[8]。许多研究通过制备脂质体、磷脂复合物和姜黄素-金属螯合物等来克服姜黄素的低吸收问题[9],但多数为药剂载体,复杂的制备过程和高材料成本等问题不太适合在食品行业中的实际应用。

近年来,食品乳液包埋逐渐成为热门研究方向之一。作为一类多相分散体,包括水包油(O/W)或油包水(W/O)等类型的乳液,因其粒径较小,外观透明且稳定性好等优点,有广泛的实际应用,例如牛奶、奶油、调味剂和纳米食品添加剂(主要包埋硒、锌、维生素等营养素)[10-12],同时乳液还易于储存[13]。建立乳液系统可以提高姜黄素的溶解度和生物利用度,为避免环境因素(如光、热、盐离子等)影响乳液体系的稳定性,有研究通过使用多糖或磷脂等将姜黄素包封在所形成的复合物中[14]。由于天然姜黄素的水溶性极低,将姜黄素载入脂质体可以显著提高溶解度和生物利用度[15]。有研究表明,姜黄素被包埋后,其体外消化率提高,并保留了较高的体外抗氧化能力[16]。有研究利用体外胃肠道消化模型对丁二酸姜黄素酯纳米乳液的生物可接受度进行测定,结果发现20 mmol/L的Ca2+有利于提高其生物可接受度,在酪蛋白酸钠含量为0.4 g/L时生物可接受度最高[17]。然而这些研究主要探讨了姜黄素在不同传递体系中有关抗氧化性和生物利用度等性质,其在乳液体系中的稳定性研究有所欠缺。

近年来,中链甘油三酯(MCT)在食品工业中应用广泛,如婴幼儿食品、病人食品、减肥食品等[18],通常作为食用香精或者色素的溶剂或者载体。MCT由饱和脂肪酸构成,不饱和脂肪酸含量非常低,表现出较好的氧化稳定性。同时其对胆盐和胰酶的作用敏感,在小肠内容易水解,更利于人体的消化吸收。因此,MCT作为油相载体对生物活性物质进行包埋,可提高生物活性物质的稳定性及生物利用率。

本研究通过制备含有不同油相的姜黄素纳米乳液,研究不同环境条件下姜黄素纳米乳液的理化性质和稳定性,以期得到高稳定性的姜黄素纳米乳液,为姜黄素在食品乳液中的实际应用研究提供参考。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

95%姜黄素 河北天旭生物技术公司;卵磷脂(食品级) 广东省德城食品厂;中链甘油三酯(MCT) 广东铭康香精香料有限公司;95%乙醇 北京化学试剂公司。

AR1140分析天平 上海奥格斯国际贸易有限公司;UV-1800紫外可见分光光度计 日本岛津公司;Zeatasizer Nano-ZS90激光粒度仪 英国Malvern公司;2100N台式浊度仪 美国HACH公司;JY92-11N超声细胞破碎仪 宁波新芝生物科技股份有限公司;T25 digital高速剪切仪 德国IKA仪器设备公司;NS1001L2K型高压均质机 意大利Niro-Soavi公司;3K15高速冷冻离心机 德国Sigma公司。

1.2实验方法

1.2.1 姜黄素纳米乳液的制备 称取粉状姜黄素(1.5 g)溶于250 mL的MCT中,采用超声细胞破碎仪对其进行冰浴超声促溶,功率390 W,超声时间30 min。超声完毕后,3000 r/min条件下离心2 min除去未溶解的姜黄素,取上清液作为油相,室温下置于避光处备用。取50 g卵磷脂溶于去离子水中,充分水化后定容至1000 mL作为水相。

乳液的制备根据文献方法稍作修改[19]。在高速剪切仪的作用下(10000 r/min,6 min),将油相缓慢加入到水相中,室温条件下剪切制备形成姜黄素粗乳液,经高压均质机处理,60 MPa条件下循环均质四次,得到姜黄素纳米乳液。此过程中,通过改变油相浓度(5%、10%、20%和30%,w/w)制备不同的姜黄素纳米乳液。

1.2.2 姜黄素包埋率测定 将6 mg姜黄素溶解在100 mL的95%乙醇中,准确吸取上述溶液0.25、0.5、1、2、3和4 mL,用乙醇定容至15 mL,分别配置成1、2、4、8、12、16 μg/mL的标准溶液,用紫外可见分光光度计在425 nm波长下测定吸光度值,得到姜黄素标准曲线(Y=0.0146X+0.0222,R2=0.9993),式中Y表示吸光度,X表示姜黄素含量。取适量的姜黄素纳米乳液溶于1000倍体积的95%乙醇中,测定吸光度值,根据标准曲线计算纳米乳液中的姜黄素包埋量,并根据下式计算得到姜黄素的包埋率(Encapsulation Efficiency,EE):

其中,C1为纳米乳液中姜黄素浓度,C0为初始姜黄素浓度。

1.2.3 粒径和Zeta电位测定 采用激光粒度仪,测定姜黄素纳米乳液的粒径和Zeta电位,折射率为1.45,平衡时间120 s。为避免多重光散射对样品测量的影响,所有样品用去离子水稀释1000倍。

1.2.4 热稳定性测定 取适量乳液置于沸水浴中加热5 min后,取上清液并按照1.2.2的方法测定吸光值,利用下式计算样品的热稳定常数:

其中,K为稳定常数,A0为未处理样品的吸光值,A1为热处理后的吸光值,K值越大,热稳定性越好。

1.2.5 离心稳定性测定 取适量乳液置于3000 r/min条件下离心3 min后,取上清液并按照1.2.2的方法测定吸光值,以1.2.4的方法计算其离心稳定常数(此时A1表示离心处理后的吸光值)。

1.2.6 贮藏稳定性评价 将制备的姜黄素纳米乳液分装至棕色玻璃瓶中,分别置于4、25和55 ℃条件下避光贮藏30 d,期间分别在第3、7、12、18、24、30 d对样品取样,测定姜黄素纳米乳液中姜黄素含量和平均粒径,考察姜黄素纳米乳液在贮藏期内的理化性质变化。其中在考察油相浓度对姜黄素纳米乳液的影响时,样品贮藏温度固定为25 ℃,考察贮藏温度对姜黄素纳米乳液的影响时,样品中的油相浓度固定为20%。

1.3数据分析

所有数据均使用SPSS 18.0软件,采用一维方差分析(ANOVA)比较数据间的显著性差异,不同字母表示样品之间存在显著性差异,显著性水平为0.05。结果采用Origin 8.0软件进行作图处理。每个样品平行测定三次,结果以平均值±标准偏差(SD)表示。

2 结果与分析

2.1油相浓度对姜黄素纳米乳液理化稳定性的影响

2.1.1 油相浓度对姜黄素包埋率的影响 油相浓度对姜黄素纳米乳液包埋率的影响如图1所示。姜黄素包埋量随着油相浓度增大而提高,姜黄素包埋量由5%油相乳液中的(0.4199±0.0006) mg/mL逐步增加到30%油相乳液中的(3.6696±0.0017) mg/mL。主要原因是姜黄素在MCT中溶解时会达到饱和状态,而油相浓度的提高导致单位体积乳液中姜黄素浓度的增大,即形成姜黄素纳米乳液时,更多的姜黄素被带入到单位体积的乳液中,显著提高了姜黄素在乳液中的包埋量。随着油相浓度的提高,乳液中姜黄素的包埋率也随之增加,由5%油相浓度时的65.11%±0.87%逐渐增加到30%油相浓度时的94.85%±0.04%,这可能是由于油相浓度提高,乳液体系中有足够的油相溶解更多的姜黄素,同时足量卵磷脂乳化剂的存在可使乳液体系维持稳定,姜黄素油滴均匀分散于乳液中,从而使包埋率得以提高。

图1 油相浓度对姜黄素包埋率的影响

2.1.2 油相浓度对乳液粒径和Zeta电位的影响 图2表示不同油相浓度的姜黄素纳米乳液的平均粒径和Zeta电位。油相浓度的提高可导致姜黄素纳米乳液粒径的增大,当油相浓度达到30%时,乳滴粒径已达到(812.4±21.59) nm左右。有研究表明:在纳米乳液制备过程中,随着表面活性剂浓度的增大,所制备的乳液粒径会随之减小,主要原因是乳化剂可以降低油滴的表面张力,较多的乳化剂有助于形成更小的乳滴[20]。本实验中油相比例逐渐升高,过多的油相使浓度固定的卵磷脂无法提供足够的表面乳化作用,导致油滴聚集,体系粒径逐渐增大。由图2可知,姜黄素纳米乳液的Zeta电位主要分布在-44.9～-60.6 mV范围内,且油相浓度的增大使姜黄素乳滴表面电势先减小后增大。由于制备乳液所用的乳化剂卵磷脂为离子型表面活性剂,其中的磷脂酰丝氨酸和磷脂酰甘油表现出负电荷性,在制备姜黄素纳米乳液时,磷脂分子吸附在油水界面处,从而使乳液表面带负电[21]。当油相浓度逐渐增大时,较大的乳滴粒径使其表面可以吸附更多的负离子,从而使姜黄素纳米乳液的Zeta电位增大。

图2 油相浓度对姜黄素乳液粒径和Zeta电位的影响

2.1.3 热稳定性和离心稳定性 含不同油相浓度姜黄素纳米乳液的离心稳定性和热稳定性结果如图3所示。从图3中可以看出,离心稳定性和热稳定性均随着油相浓度的增大而减小,其中油相浓度为5%时,稳定性常数分别达到0.9887±0.0015和0.9924±0.0007,当油相浓度提高至20%时,稳定性常数分别为0.7315±0.0005和0.7433±0.0002,稳定性仍然表现良好。这主要是因为,当油相浓度较小,即乳化剂相对浓度更高时,乳化剂可以充分均匀地分散在油水界面,显著地降低了表面张力,从而使所形成的姜黄素纳米乳滴不容易产生聚集现象,乳液的稳定性随之提高[22]。高温作用加速了体系中分子的热运动,容易导致乳液微粒相互碰撞并聚集成较大粒径的乳滴,从而降低乳化剂对姜黄素的包埋保护作用,导致部分姜黄素的受热分解。在离心力的作用下,乳液液滴中的部分姜黄素从乳液中挣脱出来,沉积在离心管底部,从而失去乳滴对姜黄素的保护作用。当乳滴粒径越大时,这种作用力的影响也就越大,乳液更容易发生凝集和沉降。因此,油相浓度相对较低时,对姜黄素的包埋稳定性更好。

图3 油相浓度对姜黄素乳液离心稳定性和热稳定性的影响

2.2姜黄素纳米乳液的贮藏稳定性

图4 油相浓度对贮藏过程中姜黄素含量的影响

2.2.1 贮藏时间对姜黄素含量的变化 25 ℃贮藏条件下,姜黄素纳米乳液中姜黄素含量随贮藏时间的变化如图4所示。随着贮藏时间的延长,纳米乳液中所包埋的姜黄素含量均逐渐降低,其中30%油相浓度的乳液从刚制备时的3.67 mg/mL降低到30 d后的1.22 mg/mL,保留率仅为33.24%,为四种油相浓度中最低。随着油相浓度降低,乳液在贮藏期内对姜黄素的保留率逐步提高,20%、10%和5%油相浓度姜黄素乳液的保留率分别为45.30%、48.99%和48.50%。郭雯等的研究发现,当使用阴离子乳化剂时,随着乳化剂相对含量的提高,所形成的乳液液滴较小,其贮藏稳定性有所提高,当乳化剂量增加到一定程度时,乳液贮藏稳定性有所下降,与本实验结果基本相同。主要原因可能是油相浓度降低使得姜黄素乳液液滴粒径降低,有利于乳液的稳定,但随着油相浓度的继续降低,乳胶粒的相界面面积增大,同时乳滴粒径减小,表面电荷密度相对增加,势能增加,贮藏稳定性下降[23]。

2.2.2 贮藏期乳滴粒径的变化 图5表示的是在25 ℃贮藏条件下,姜黄素纳米乳液中乳滴平均粒径随时间的变化情况。当油相浓度为5%时,姜黄素纳米乳液的平均粒径变化不大,30 d后平均粒径仅增加了0.79%。随着油相浓度的逐渐提高,贮藏期间的平均粒径变化波动逐渐显著,油相浓度为20%和30%时,30 d后乳液平均粒径分别增加了10.14%和9.15%。不同油相浓度表现出不同的粒径稳定性,主要归因于姜黄素纳米乳液体系中初始乳滴大小的不同,当油相浓度提高时,较大的乳滴粒径和体系粘度的增加使乳胶粒碰撞凝集的几率增大,加快了液滴的凝聚速度和液滴间的不稳定性[24]。

图5 油相浓度对贮藏过程中乳液粒径的影响

图6 贮藏温度对姜黄素含量的影响

2.2.3 贮藏温度对姜黄素纳米乳液稳定性的影响 图6和图7分别表示乳液中姜黄素含量和平均粒径随时间的变化情况。从图6中可以看出,乳液中姜黄素含量在贮藏期内均逐渐下降,贮藏温度越高,变化越大。55 ℃贮藏30 d后,乳液中姜黄素含量由2.27 mg/mL下降至0.59 mg/mL,损失达到74.01%,25 ℃和4 ℃贮藏的乳液中姜黄素含量分别损失了54.63%和14.98%。乳液的平均粒径在不同贮藏温度条件下均有不同程度的增大,贮藏温度越高,变化越大。55 ℃贮藏30 d后,平均粒径由(695.47±38.18) nm提高至(803.6±2.66) nm,增大了15.55%,25 ℃和4 ℃贮藏的乳液平均粒径分别增大了10.14%和3.92%。25 ℃贮藏条件下,乳液粒径先减小后增大,其原因可能是该温度下,较多的乳化剂的乳化作用使油滴表面张力下降,导致油滴向周围扩散形成更小粒径的粒子。同时乳液分散性好,粒子间碰撞几率小,也在一定程度上延缓了乳滴的碰撞凝集[25]。乳液长期处于高温环境中(55 ℃),布朗运动加剧,乳滴碰撞几率增加并凝聚沉降,导致乳滴粒径变大及乳液中姜黄素的损失[20]。4 ℃贮藏条件下乳液中姜黄素损失和粒径变化最小,说明姜黄素纳米乳液的理化稳定性在低温条件下表现良好。

图7 贮藏温度对姜黄素乳液粒径的影响

3 结论

以卵磷脂为乳化剂、MCT为油相,通过高压均质法制备乳液的方法可以提高姜黄素的溶解度和稳定性。研究发现,油相浓度的提高可使姜黄素纳米乳液中姜黄素包埋率、平均粒径和Zeta电位增大,但同时也降低了乳液的离心稳定性和热稳定性。随着贮藏时间的延长,乳液中姜黄素含量逐渐降低,粒径逐渐增大,其中油相浓度为5%、10%时,变化较小。4 ℃低温贮藏的姜黄素纳米乳液表现出良好的理化稳定性,贮藏30 d后,姜黄素保留率在85%以上,且粒径无明显变化。油相浓度为10%时,纳米乳液中姜黄素的包埋率已达到78.04%,处于较高的水平。结果显示,低油浓度制备的姜黄素乳液更优良,且低温保藏更利于其稳定性,为今后姜黄素在食品领域中的应用提供依据和参考。若要进一步探究姜黄素纳米乳液的性质,可以通过增加体外模拟消化实验,研究姜黄素在模拟胃肠道中消化释放情况,选择出生物利用度高的乳液,进一步优化出消化性良好的姜黄素纳米乳液。

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Effectofoilphaseconcentrationonthestabilityofcurcuminnanoemulsion

ZENGQing-han,MAPei-hua,TAIKe-dong,HEXiao-ye,YUANFang*

(Beijing Advanced Innovation Center for Food Nutrition and Human Health,College ofFood Science and Nutritional Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083,China)

The curcumin nanoemulsion with different oil phase concentrations were prepared by using high pressure homogenization technique,and MCT and lecithin were used as oil phase and emulsifier respectively. The effect of oil phase concentration on the stability of curcumin nanoemulsion was investigated when samples were stored at 4 ℃,25 ℃ and 55 ℃ for 30 days. The results showed that the curcumin nanoemulsion was the high physicochemical stability with retention rate of 48.5% and 48.99% and particle size increasing by 0.79% and 15.78% when the oil phase concentration was low(5% and 10%),especially the storage temperature was set at 4 ℃ where the loss of curcumin was 14.98% after 30 days.

nanoemulsion;curcumin;oil phase concentration;storage stability

2017-04-25

曾庆晗(1997-)，男，本科，研究方向：传递系统与功能食品，E-mail：278303025@qq.com。

*

袁芳(1967-)，女，博士，副教授，研究方向：功能因子稳态化及非热加工技术，E-mail：yuanfang0220@cau.edu.cn。

国家自然科学基金面上项目(31371836)；学生创新研究专项-大学生创新创业实践能力培养研究(201610019044)；北京食品营养与人类健康高精尖创新中心开放课题。

TS202.3

A

1002-0306(2017)22-0017-05

10.13386/j.issn1002-0306.2017.22.004